花生壳生物炭-壳聚糖复合塑料电极：绿色电化学传感器用于海水中重金属Pb2?和Cd2?的高灵敏检测

本研究针对农业废弃物资源化利用和重金属污染监测需求，创新性地将花生壳生物炭(Bc)与壳聚糖(CS)复合，开发出可批量生产的塑料电极。通过碱性处理和铋(Bi)电沉积修饰，实现了海水中Pb2?(14.27 ng/mL)和Cd2?(20.74 ng/mL)的高灵敏检测，性能优于WHO/EPA标准，为可持续环境监测技术提供了新方案。

　　

随着全球工业化进程加速，重金属污染已成为威胁生态环境和公共健康的重大挑战。铅(Pb2?)和镉(Cd2?)作为典型的有毒重金属，可通过食物链富集引发神经毒性、器官损伤甚至致癌。世界卫生组织(WHO)和美国环保署(EPA)虽制定了严格的水质标准，但现有检测技术仍面临成本高、操作复杂等问题。与此同时，全球每年产生约1100万吨花生壳等农业废弃物，传统处理方式既浪费资源又污染环境。如何将生物质废弃物转化为高附加值功能材料，成为可持续发展领域的重要课题。

在此背景下，阿根廷研究团队在《Carbon Trends》发表创新性研究，通过自制低成本热解炉将花生壳转化为生物炭(Biochar, Bc)，并首次将其与壳聚糖(Chitosan, CS)复合制成可批量生产的塑料电极。该电极经铋(Bi)电沉积修饰后，对海水中Pb2?和Cd2?的检测限分别达到14.27 ng/mL和20.74 ng/mL，远低于监管阈值，为重金属监测提供了绿色、经济的解决方案。

研究团队采用多学科交叉方法：1）利用自制热解炉实现200g/批次的花生壳规模化转化，产率达43%；2）通过超声辅助将CS与Bc复合，结合碱处理引入-OH/-NH₂等活性基团；3）采用PVC/BEA塑性基质制备柔性电极薄膜；4）运用SWASV技术优化重金属检测参数；5）通过XPS、Raman等手段表征材料特性。

【3.1 物理化学表征】SEM显示原始Bc具有1-50μm的宏孔结构，CS修饰后形成3D枝晶形态（图1）。XPS证实Bc-CS的含氧基团增加3倍（图2），Raman的I_D/I_G比值（0.932）表明石墨化程度提升（图3）。这些特性为重金属吸附提供了丰富活性位点。

【3.2 电极性能】GP₇₅Bc-CS₂₅电极展现最佳电化学活性，其有效表面积达0.054 cm2，是石墨电极的5倍（表1）。接触角测试显示CS修饰使疏水性从127°降至95°（图4D），促进界面电子转移。

【3.2.3 海水检测】在含500 ng/mL Bi3?的优化体系中，SWASV对Pb2?和Cd2?的线性范围达50-500 ng/mL（图6）。海水基质中Pb因形成稳定碳酸盐络合物，灵敏度比缓冲体系提高8.8%，而Cd因氯络合物中性化导致信号减弱。

该研究通过废弃物资源化与传感技术创新，实现了三重突破：1）开发出成本仅为常规方法1/1000的Bc规模化生产方案；2）首创Bc-CS复合塑料电极的体相修饰策略；3）建立符合绿色化学原则（AGREE评分0.75）的重金属检测新方法。这不仅为环境监测提供了高性能、可持续的技术选择，更拓展了生物炭在电化学领域的应用边界，对推动循环生物经济发展具有示范意义。